Recherche en catalyse Des réactions catalytiques efficaces avec moins de métal

La fabrication de médicaments et d'autres produits chimiques fait souvent appel à des métaux précieux coûteux ou à des métaux lourds toxiques utilisés comme catalyseurs. Afin de rendre ces processus plus efficaces, plus économiques et plus durables, les chercheurs de l'ISTA développent un catalyseur au nickel activé par la lumière. Celui-ci permet la formation efficace d'un large éventail de liaisons chimiques.

Derrière une paroi de verre du laboratoire Pieber, à l'Institute of Science and Technology Austria (ISTA), des lampes LED éclairent de petits récipients de réaction. La lumière ne sert pas ici uniquement à éclairer, mais fournit également l'énergie nécessaire pour activer un catalyseur au nickel et permettre ainsi des réactions chimiques.

Dans une nouvelle étude, le groupe de recherche dirigé par Bartholomäus Pieber démontre qu'un catalyseur au nickel spécialement mis au point peut rendre la synthèse chimique photocatalytique à la fois plus polyvalente et plus efficace.

Pieber et son équipe de l'ISTA ont mis au point un nouveau système catalytique en collaboration avec Daniel Bím, de l'Université de chimie et de technologie de Prague. Ce système permet de lier des composants chimiques de manière sélective et efficace, tout en ne nécessitant que de très faibles quantités de nickel.

Le nickel sous les feux de la rampe

Les médicaments sont généralement fabriqués au cours de procédés chimiques en plusieurs étapes. L'un des types de réactions les plus couramment utilisés dans ce contexte est ce qu'on appelle le « couplage croisé », dans lequel deux composants moléculaires sont liés entre eux par une nouvelle liaison chimique à l'aide d'un catalyseur métallique. Dans de nombreuses réactions de couplage croisé importantes, on utilise des catalyseurs à base de palladium. 

La chimie qui sous-tend ce processus a même valu à ses découvreurs le prix Nobel : Richard Heck, Ei-ichi Negishi et Akira Suzuki ont reçu cette distinction en 2010 pour avoir mis au point des réactions de couplage croisé catalysées par le palladium en synthèse organique. Ce sont précisément ces réactions qui ont profondément marqué la fabrication de médicaments, de produits agrochimiques et d’autres produits de la chimie fine. Si les catalyseurs au palladium sont très efficaces, ce métal précieux est toutefois rare et coûteux.

Il y a une bonne dizaine d'années, les premières études ont montré qu'au lieu du palladium, une combinaison d'un catalyseur au nickel et d'un deuxième catalyseur, utilisant la lumière visible comme énergie d'activation, pouvait également convenir. Cela permettrait de rendre ces réactions moins coûteuses et plus durables. Il y a toutefois un bémol : les catalyseurs au nickel sont moins efficaces et ne permettent pas la même diversité de réactions que les catalyseurs au palladium.

« Dans notre laboratoire, nous essayons de comprendre pourquoi les systèmes catalytiques modernes à base de nickel présentaient certaines limites. Forts de ces connaissances, nous développons, synthétisons et étudions des candidats et des méthodes alternatifs », explique M. Pieber, responsable du groupe de recherche.

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Peu de nickel, grand effet

La percée réalisée par l'équipe de recherche repose sur un ligand sur mesure qui augmente l'activité catalytique de l'atome de nickel après activation par la lumière visible. Le nouveau catalyseur peut ainsi former des liaisons entre des atomes de carbone, d’azote, d’oxygène, de soufre ou de phosphore, et assembler ainsi deux molécules en une structure plus grande et plus complexe. « Le résultat le plus remarquable a été que nous avons pu former efficacement des liaisons complexes avec une très faible quantité de catalyseur au nickel », explique Aleksander Bena, doctorant.

Au total, la quantité de catalyseur nécessaire diminue jusqu'à 100 ppm, soit 0,01 % molaire. En termes simples, cela signifie que, dans cette expérience, une seule molécule de catalyseur au nickel génère jusqu'à 10 000 molécules de produit.

Cette étude montre comment la compréhension de la réactivité fondamentale des molécules à base de nickel permet de transformer un métal très répandu en un catalyseur plus performant.

« De si faibles quantités de catalyseur ne sont généralement obtenues qu’avec des catalyseurs à base de palladium. Le fait que cela soit possible avec un catalyseur au nickel est très prometteur », ajoute le chef de groupe Pieber. « Cette combinaison entre une faible quantité de catalyseur et une large applicabilité à de nombreux composants différents pourrait rendre cette approche particulièrement intéressante pour la synthèse de produits pharmaceutiques et de produits de chimie fine. »

Évolution sur plusieurs années

Dès 2020, le groupe dirigé par Pieber a franchi une première étape importante en surmontant certaines limites de la catalyse au nickel. En effet, les catalyseurs au nickel sont généralement détruits lorsque l’on utilise des composants complexes. Or, un contrôle minutieux des conditions de réaction permet d’éviter ce phénomène. L'approche adoptée à l'époque par les chercheurs a fonctionné, mais les réactions restaient encore très lentes et nécessitaient une grande quantité de catalyseurs au nickel.

« Bien sûr, on était encore loin d’une méthode efficace », explique Pieber. « Mais cela prouvait que c’était faisable. Au cours des dernières années, notre compréhension de ces réactions catalytiques n’a cessé de s’améliorer. » S'appuyant sur ces expériences, Aleksander Bena, doctorant, a conçu et testé des structures potentielles pour des catalyseurs au nickel plus efficaces et plus robustes, pouvant être activés par la lumière visible. « J’aime le défi que représente la résolution d’une énigme chimique. On développe une idée, on la teste expérimentalement et on tire des enseignements de chaque résultat », explique Bena. Sa ténacité a finalement abouti à ce nouveau système catalytique, qui offre de nombreuses possibilités d’application et nécessite nettement moins de nickel.

Les chercheurs ont désormais démontré la polyvalence de leur méthode en fabriquant plus de 150 produits. La gamme s'étend des simples composants moléculaires aux molécules complexes et aux dérivés de médicaments tels que la fluoxétine, l'un des antidépresseurs les plus courants et les plus prescrits.

Publication originale : A. R. Bena et al. : La conception de ligands élargit NiI-catalytiques de C(sp²) avec des hétéroatomes de bromures d’aryle à de faibles charges de catalyseur, Nature Catalysis (2026) ; DOI : 10.1038/s41929-026-01616-6